Nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở khớp động tới quá trình làm việc của máy tự động

Nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở khớp động tới quá trình làm việc của máy tự động

Bộ giáo dục và đào tạo Bộ quốc phòng

học viện kỹ thuật quân sự

C«ng tr×nh ®−îc hoµn thµnh t¹i: Häc viÖn Kü thuËt Qu©n sù

Vµo håi giê ngµy th¸ng n¨m

Cã thÓ t×m hiÓu luËn ¸n t¹i th− viÖn:

- Th− viÖn Quèc gia ViÖt nam

- Th− viÖn Häc viÖn KTQS

1 Nguyễn Hồng Lanh, Trần Hồng Thanh, ảnh hưởng của biên

dạng cam gia tốc đến các tham số động học máy tự động, Tạp chí

Khoa học Kỹ thuật, Học viện kỹ thuật quân sự Năm 2003, trang 111-116

2 Phạm Huy Chương, Nguyễn Hồng Lanh, Trần Hồng Thanh, Sự

làm việc của máy tự động có kể đến ảnh hưởng khe hở biến dạng giữa piston và buồng khí, Tuyển tập các công trình hội nghị khoa học toàn

quốc cơ học vật rắn biến dạng lần thứ 7 Năm 2004, trang 73-79

3 Phạm Huy Chương, Nguyễn Hồng Lanh, Trần Hồng Thanh, Bài

toán động lực học cơ cấu tiếp đạn khi kể tới khe hở khớp động, Tạp

chí Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ Quân sự, Trung tâm khoa học kỹ thuật và Công nghệ Quân sự Năm 2005 trang 45-51

4 Phạm Huy Chương, Nguyễn Hồng Lanh, Trần Hồng Thanh, Bài

toán va chạm giữa bệ khoá và hộp súng khi kể tới ảnh hưởng của khe

hở khớp động, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, Học viện kỹ thuật quân sự

Năm 2005, trang 103-111

5 Trần Hồng Thanh, ảnh hưởng của khí thuốc tới độ mòn piston và

sự làm việc của Vũ khí tự động, Tạp chí Kỹ thuật và Trang bị, Tổng

cục Kỹ thuật Năm 2006, trang 30-31

Mở đầu

Việc nghiên cứu thiết kế mới, cũng như việc nghiên cứu cải tiến, hoàn thiện các loại vũ khí tự động đang có một vị trí quan tâm đặc biệt trong ngành công nghiệp quốc phòng, trong đó bài toán động lực học máy tự động với các vấn đề va chạm và sai số động học trong quá trình làm việc đối với chúng ta còn khá mới Xuất phát từ lý do trên, đề tài

luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở khớp động tới quá trình làm việc của máy tự động” là một hướng nghiên cứu có ý nghĩa

khoa học và khả năng ứng dụng thực tiễn tốt

ý nghĩa khoa học của luận án:

- Xây dựng được mô hình tính toán và xây dựng mới hệ phương trình động lực học của máy tự động khi kể tới khe hở trong các khớp

động Nghiên cứu xây dựng thuật toán giải hệ phương trình trên dựa trên phần mềm Matlab6.5

- Nghiên cứu bổ sung việc xác định các đại lượng vế phải của hệ phương trình động lực học máy tự động khi kể tới khe hở trong các khớp động Đưa ra phương pháp tính toán va chạm phù hợp với mô hình tính toán khi kể tới khe hở giữa bệ khóa và hộp súng

ý nghĩa thực tiễn của luận án:

- Bước đầu cung cấp cơ sở lý luận giúp cho các nhà thiết kế định hướng công tác thiết kế của mình theo hướng: bảo đảm an toàn, nâng cao chất lượng và độ tin cậy của máy tự động trên cơ sở kể tới ảnh hưởng của các khe hở khớp động

- Bước đầu cung cấp luận cứ khoa học để đánh giá chất lượng của

vũ khí sau một thời gian sử dụng liên quan tới khe hở do mòn

ChươngI: Tổng quan 1.1 Các vấn đề cơ bản bài toán động lực học máy tự động

Nội dung phần này trình bày các vấn đề cơ bản thuộc về cơ sở lý

luận liên quan tới bài toán động lực học máy tự động đã được nghiên

cứu: mô hình tính toán, hệ phương trình vi phân chuyển động, xác định

ngoại lực tác dụng lên máy tự động trong quá trình làm việc

Hình 1.1: Mô hình máy tự động

1-nòng súng; 2- đạn; 3- buồng khí; 4- piston;

5- khâu chuyển động thứ i; 6- khâu cơ sở

Phương trình vi phân chuyển động của máy tự động [5]:

(1.1)

1

2 12

ư

=

η

= η

i 0

0 0 1

n 1 i

i i i

i 12

n 1

2 i 0

11

p

k X

C P

Q

dx

dk m

k m

; m

k m

m

(1.2)

X: quãng đường chuyển động của bệ khóa; C0: độ cứng của lò xo

đẩy về; ki, ηi: tỷ số truyền và hiệu suất truyền động từ bệ khóa tới khâu

thứ i; P0: lực khí thuốc tác dụng lên piston và bệ khóa; ∏0: lực nén ban

đầu của lò xo đẩy về; Pi: ngoại lực tác dụng lên khâu thứ i

Kết hợp với hệ phương trình thuật phóng trong, hệ phương trình nhiệt

động buồng khí ta có hệ phương trình vi phân chuyển động tổng quát [5]:

+ξ

ưξ

ư

ư

ư

ưξμ+λ+χω

=

ξ+ξμ+λ+χωδ

δα

ư

=

ξ

ưξ

ư

ưξμ+λ+χω

Δ

Δ Δ

Δ

)24.1(X

CVmQm

kG

GG

kGkW

W

8

GG

GG

7

Gk1

GkWkppkz

z3z21fW

z3z21

Gz

z3z21

11

4 b b b

tb x

11 x 10 k pb n

p b b

4 p

b

x 11 x 10 4 k n

b

4 n p 3

p t

2 2

3 2

2

*

4 n 3

2

2 k

2 k

3 1

3 1

Xác định số liệu đầu vào, tính toán các đại lượng vế phải không

đổi và thay đổi, giải bài toán động lực học máy tự động bằng phương pháp số trên máy tính, sử dụng phần mềm matlab6.5 có kết quả trên đồ thị hình 1.10

Một số số liệu cơ bản:

- áp suất lớn nhất trong nòng: pmax=3.027*108pa

- áp suất lớn nhất trong buồng khí: pbmax=6.085*107pa

- Thời gian lùi của bệ khoá: tlui=0.02675s

- Thời gian của một chu trình: tct=0.074s

- Quãng đường dịch chuyển của bệ khoá: X=0.143m

- Vận tốc lùi lớn nhất: Vmax=7.38m/s

- Vận tốc lùi sau cùng: Vsc=4.15m/s

- Quãng đường dịch chuyển của cần kéo băng: Z=0.0203m

Hình 1.10: Kết quả tính toán súng đại liên PKMS

1.3 Một số phân tích nhằm nâng cao tính sát thực của mô hình tính toán

1- Khi bỏ qua khe hở khớp động giữa bệ khóa và hộp súng, bệ khóa chỉ chuyển động tịnh tiến dọc theo hộp súng Trong thực tế, do tồn tại khe hở, bệ khoá vừa chuyển động tịnh tiến vừa chuyển động quay Mặt khác khi bệ khoá quay tới giá trị biên của khe hở đường trượt gây ra va chạm giữa bệ khóa và hộp súng Vì vậy cần phải xây dựng lý thuyết tính toán cho mô hình va chạm này

2- Việc giải bài toán nhiệt động lực học buồng khí trước đây đã đề cập tới ảnh hưởng của khe hở buồng khí Tuy nhiên khi tính toán đã bỏ qua ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi của buồng khí và piston dưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ

3- Khi tồn tại khe hở khớp động giữa bệ khóa và khâu làm việc thứ

i, sẽ xảy ra va chạm khi máy tự động làm việc Xung lực khi va chạm làm biến dạng đàn hồi chi tiết tham gia va chạm Vì vậy khi kể tới ảnh hưởng của khe hở tiếp đạn phải gắn liền với việc tính toán biến dạng

đàn hồi của chi tiết

1.4 Kết luận

Các công trình nghiên cứu đã có hoặc đã được công bố chủ yếu đi sâu vào các vấn đề của bài toán động lực học máy tự động trên cở sở giả thiết bỏ qua ảnh hưởng của khe hở trong các khớp động Kết quả tính toán được nhìn nhận là đã đạt được độ chính xác nhất định có thể

sử dụng trong tính toán kỹ thuật [5] Tuy nhiên khi cần phải biết chính xác quỹ đạo chuyển động, lực tác dụng lên các chi tiết trong quá trình máy tự động làm việc cần thiết phải hoàn thiện hơn mô hình tính toán Một số phân tích nhằm nâng cao tính sát thực của mô hình tính toán được trình bày trong mục 1.3 của luận án Phương hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án không nằm ngoài những phân tích đã được nêu ra ở trên

Chương II: Bài toán động lực học máy tự động khi kể tới ảnh hưởng của khe hở khớp động

2.1 Đặt vấn đề

Các khe hở khớp động trong phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm:

- Khe hở đường trượt giữa bệ khóa nòng và hộp súng;

- Khe hở buồng khí giữa piston và buồng khí;

- Khe hở tiếp đạn giữa bệ khóa nòng và cần kéo băng

Để việc tính toán mang tính kế thừa, không phá vỡ cấu trúc hệ phương trình vi phân giải bài toán động lực học đã trình bày ở chương một, luận án đưa vào hệ phương trình vi phân lần lượt ảnh hưởng của từng khe hở

2.2 Bài toán động lực học máy tự động khi kể tới khe hở đường trượt giữa bệ khóa và hộp súng

2.2.1 Mô hình tính toán

Xét bài toán phẳng của máy tự động Trong trường hợp tổng quát, máy tự động gồm khâu cơ sở có khối lượng m0 liên kết động với n khâu làm việc có khối lượng mi (i=1 n) Chuyển động của khâu cơ sở là chuyển động phẳng bao gồm chuyển động tịnh tiến theo phương X và chuyển động quay ϕ

động tịnh tiến của bệ khóa; ϕ: quãng đường chuyển động quay của bệ khóa; Xi: quãng đường chuyển động của khâu thứ i

2.2.2 Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động

Sử dụng phương trình Lagrange loại 2:

) 2 , 1 j ( Q q q

T q

T dt

d

j j j

= ϕ ϕ

∂

∂ +

ϕ +

2 n

1

2 0

2

m 2

1

Sau khi biến đổi ta có hệ phương trình vi phân chuyển động:

ϕ +

+ ϕ +

= ϕ +

ϕ +

+ ϕ +

' 2 25

2 24

2 23 22

21

' 1 15

2 14

2 13 12

11

Q X

m m

X m m

X m

Q X

m m

X m m

X m

∂

∂

= ϕ

∂

∂ η

∂

∂

= ϕ

=

=

= η

ϕ ϕ

i i i 25

i n

1

i i 24

xi i n

1

23

n 1

2 i 0

22 n

1

xi xi i 15

i n

1

14

n 1 i

xi xi

xi i 13

n 1

21 12

n 1

2 xi 0

11

1

1 X

k k m m

; k k m m

; X

k k m

m

m

k J

m

; 1 1 k

k m m

;

k k m

m

X

k k m m

; k k m m

m

; m

k m

ư

ư Π

=

η

ư Π

ư

=

ϕ ϕ

ϕ Π

=

∑

i i

i c b po 0 x

' 2

n 1

xi x

0

' 1

P

k r Q r

P r Q

p

k P

Q

(2.24)

2.2.3 Va chạm giữa bệ khóa và hộp súng trên đường trượt

Khi bệ khóa quay tới giá trị biên của khe hở, xẩy ra va chạm với

hộp súng Xét bài toán va chạm phẳng bao gồm chuyển động tịnh tiến

và chuyển động quay Cơ sở tính toán va chạm được tham khảo [36]

dựa trên các định luật bảo toàn động lượng, định luật bảo toàn mô men

động lượng, định luật ma sát khô của Amauton-Colom và phương trình

hồi phục năng lượng Khi va chạm xảy ra, có thể rơi vào một trong các trường hợp như sau: trượt liên tục trong quá trình va chạm; dính liên tục trong quá trình va chạm; trượt dính trong giai đoạn nén; trượt đảo chiều trong giai đoạn nén; trượt dính trong giai đoạn hồi phục; trượt đảo chiều trong giai đoạn hồi phục Tùy thuộc vào cấu hình va chạm của hệ và vận tốc tương đối ban đầu của các vật khi va chạm mà có thể xẩy ra một trong các trường hợp trên Sau khi xác định được các thành phần xung lượng tại các thời điểm: kết thúc giai đoạn nén (pc), vận tốc tương đối theo phương tiếp tuyến giữa hai vật v1p=0 (ps); kết thúc va chạm (pf) sẽ xác

ư

ư +

2 1

2 2

2 1 b 1

m 1

1

2 2

1

2 2

2 2

1 2

1 b

r

r μ 1 r μ 1 r r E

r p T

α r

r

r ln 1 μ 2 r

r

r 2

1 r

r ln

r T αΔ 2

1 u

T r

2 b 1 1

2.4 Phương trình chuyển động của máy tự động khi kể tới khe

hở khớp động giữa bệ khóa và cần kéo băng

Tỷ số truyền thực từ khâu cơ sở tới khâu làm việc thứ i:

t txi

i

xi xi

m

P N

1 k

; X k m

P N X

1

ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi và khe hở được kể tới khi xác

định lực hồi phục Ni: Ni = Ciεi + biε&i (2.166)

sign 1

X X

2

X X

sign 1

X X

ti td i ti

td i

ti td i ti

td i i

ư Δ +

ư

ư Δ + +

+

ư Δ

ư +

ư Δ

ư

= ε

(2.171)

Nhờ hàm dấu sign nên εi = 0 khi: Xi ư Δtd < Xti < Xi + Δtd

2.5 Hệ phương trình động lực học máy tự động khi kể tới các

=

=

ω

ư ω

ư

ư ω

ư

=

ω

= ϕ

=

ξ

ư

ư ξ

+ ξ

ư ξ

ư

ư

ư

ư ξ μ + λ + χω

=

ξ + ξ μ + λ + χω δ

δ α

ư

=

ξ

ư ξ

ư

ư ξ μ + λ + χω

=

ω

ξ

= ξ

ξ ϕ

= ξ

ξ

=

ϕ ϕ

ϕ ϕ

ϕ ϕ

ϕ ϕ

Δ Δ

Δ

Δ Δ

Δ

) 172 2 ( k

m

P N 1 k

19

; V k m

P N V

1 k

.

18

k X

17

; X k X

16

; k X 15

; X k X

.

14

V m m

V m V m Q m

1

13

V m m

V m m

Q m

; V

X

.

10

W kp p

k G

G G

k G k W

W

.

8

G G

G G

.

7

G k 1

G k W kp p k z

z 3 z 2 1 f W

z 3 z 2 1

G z

z 3 z 2 1

4

I

p z 3

; q

gps v

2

; v

l

.

1

2 i t i

i i 2 i t txi

i

xi xi txi

i t i t txi

txi i

i xi

xi

2 25

2 2 24

2 23 21

' 2 22 2

2 15

2 2 14

2 13 2

12

' 1 11

2

4 b b b

tb x

11 x 10 k pb n p b

b

4 p

b

x 11 x 10 4 k n

b

4 n p 3 p

t 2 2

3 2

2

*

4 n 3

2

2 k

2 k 3

1 3

2.6 giải bài toán động lực học máy tự động súng đại liên PKMS

= ψ′

sin r

sin r

X X

cos sin

f cos sin

c

b 2

2 2

2

β α

− α ψ

r X X

β cos sin

c

b 0

ϕ ϕ

Hình 3.14: Sơ đồ bệ khóa và cơ cấu tiếp đạn

Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của bệ khóa, gây ra

biến dạng góc của cần kéo băng:

c

tx c

x x

r

Z arcsin r

Z

Mô men biến dạng đàn hồi tác dụng lên bàn kéo đạn, do chuyển

động tịnh tiến và chuyển động quay của bệ khóa gây ra:

( x x) ( g x x) x

sin r

M ,

N

c

x x

x

β

= ε

ϕ ϕ ϕ

sin r

M ,

Hình 2.19: Kết quả giải bài toán động lực học

máy tự động súng đại liên PKMS

Các số liệu cơ bản:

- Vận tốc lùi lớn nhất: Vmax=7.28m/s;

- Vận tốc sau cùng: Vsc=4.37m/s;

- Thời gian lùi của bệ khóa: tlui=0.0269 s;

- Thời gian chu trình: tct=0.0835s;

- Chiều dài lùi bệ khóa: X=0.143m;

- Quãng đường chuyển động kéo băng khi bệ khoá lùi: Zl=0.0213 m;

- Chuyển động kéo băng khi bệ khoá tiến: Zdl=0.0216m;

- Vận tốc góc lớn nhất: ω2max=2.71rad/s;

- Vận tốc góc nhỏ nhất: ω2min=-0.783 rad/s

Bảng 2.1: So sánh kết quả tính toán theo hai mô hình

Vmax (m/s)

Vsaucung (m/s)

tlui (s)

tchutrinh (s)

động (2.172) Sử dụng hệ phương trình (2.172) để giải bài toán động lực học máy tự động súng đại liên PKMS cho kết quả trên hình 2.19 Các giá trị khe hở được lấy bằng các giá trị khe hở thiết kế và khảo sát trên súng Kết quả tính toán theo mô hình có kể tới khe hở so với bỏ qua khe hở thể hiện trên bảng 2.1

Chương III: Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của khe hở khớp

động tới quá trình làm việc của máy tự động

3.1 Đặt vấn đề

3.2 ảnh hưởng của khe hở buồng khí

Kết quả khảo sát của luận án cho thấy khi chiều dày buồng khí tăng thì biến dạng đàn hồi của buồng khí sẽ giảm Tuy nhiên tới một giá trị giới hạn cho từng loại vật liệu (a=r2/r1=1.5ữ2), mặc dù chiều dầy buồng khí tăng nhưng biến dạng hầu như không thay đổi Đây là điểm cần lưu ý khi lựa chọn kích thước buồng khí khi thiết kế

ảnh hưởng của khe hở buồng khí tới vận tốc chuyển động tịnh tiến của bệ khóa:

max Vsaucung

(m/s) (s) 0.03 7.37 4.76 0.026 0.082 BK cứng 0.03 7.29 4.36 0.027 0.0835

0 1 6.62 3.10 0.033 0.0970.15 6.55 2.95 0.034 0.0990.2 6.10 2.58 0.035 0.1020.25 5.92 1.96 0.038 0.109

BKĐH

0.3 5.6 Không rút vỏ đạn Khi khe hở buồng khí tăng, lư t ra ngoài tăng, làm g

ình 3.5: Vận tốc bệ khoá với các giá trị khe hở buồng khí H

ợng khí thuốc phụiảm vận tốc chuyển động tịnh tiến của bệ khóa Khe hở buồng khí

ảnh hưởng tới năng lượng cung cấp cho khâu cơ sở của máy tự động làm việc vì thế nó ảnh hưởng tới tất cả các chuyển động của các khâu liên kết Khe hở buồng khí lớn hơn 0.15mm máy tự động không đủ năng lượng làm việc tin cậy (Vsc<3m/s) phải để bộ phận điều chỉnh khí thuốc ở vị trí số 3 Khi khe hở >0.2mm không thể điều chỉnh khí thuốc, máy tự động không đủ năng lượng làm việc

3.3 ả nh hưởng của khe hở đường trượt

he hở đường trượt ảnh hưởng chủ yếu tới hành trình chuyển

động

ng trượt thay đổi:

(mm)

Hình 3.7: Đồ thị dịch chuyển của cần kéo băng

1- khi bệ khoá chỉ chuyển động tịnh tiến; 2- khi bệ khoá vừa

chuyển động tịnh tiến vừa chuyển động quay

K

của cần kéo băng Khi khe hở đường trượt tăng, cần phải giảm góc nghiêng của rãnh cam tiếp đạn trên bệ khóa đặc biệt là khi đẩy lên Ngoài ra khi khe hở đường trượt tăng, bệ khóa bị gục xuống có thể gây

ra hiện tượng không đưa được viên đạn vào buồng đạn Đối với súng

đại liên PKMS nên lựa chọn khe hở đường trượt trong phạm vi ≤2mm phụ thuộc vào công nghệ gia công đường trượt

Bảng 3.3: Các tham số cơ bản khe hở đườ

Khe hở

(mm)

Vmax(m/s)

Tlui(s)

Tct(s)

Zl(mm)

Zdl(mm)

ΔZ

1.5 6.829 0.0355 0.0905 20.13 22.7 0.0 1.75 6.829 0.0355 0.0907 20.13 22.9 0.2 2.0 6.829 0.0355 0.091 20.13 23.1 0.4 2.3 6.829 0.0355 0.0909 20.13 23.3 0.6

2.55 6.829 0.0355 0.0907 20.13 23.5 0.8

3.4 ả ởng của khe hở tiếp đạn

ảng 3.4: Quãng đường dịch chuyển của cần kéo băng

Giá trị thiết kế của hành trình kéo băng là 20±5mm Theo kết quả tính t

c theo biên dạng cam

dây băng

oán ở trên khi khe hở tiếp đạn Δtd>1.0 mm hành trình kéo băng (Zl) không đạt theo yêu cầu thiết kế Khi bắn có thể dẫn tới hiện tượng không đưa được viên đạn tiếp theo vào vị trí nạp đạn

Trong trường hợp kích thước khe hở thay đổi dọ

tiếp đạn, kết quả tính toán trên hình 3.22 cho thấy biến dạng có dạng dao động tuần hoàn Biến dạng thay đổi tuần hoàn làm cho chi tiết nhanh bị phá huỷ do mỏi Biên độ dao động của lực kéo băng khi khe

hở thay đổi là lớn hơn so với trường hợp khe hở không đổi Sự thay đổi này làm cho dây băng bị rung động mạnh, làm ảnh hưởng tới độ bền của